分析高壓輸電線路抗冰災的相關問題及解決對策

摘要：高壓輸電線路是電力傳輸的生命線工程，隨著我國高壓、超高壓和特高壓電網的建設，輸電線路覆冰問題是影響電網安全運行的重要因素，覆冰事故已嚴重威脅了我國電力系統的安全運行。因此，在輸電網絡防冰除冰工作中，應把預防電網冰雪災害工作放到更加重要的位置，重視輸電網絡覆冰的理論研究，認真分析冰災原因，不斷研究新技術、新方法，提高防冰水平的建議。

關鍵詞：高壓輸電線路;覆冰模型;斷線沖擊;可靠性;模型實驗

1 輸電線路覆冰存在的問題及不足

（1）關于雨凇覆冰模型預測的研究。由于導線覆冰受氣象、地形及地理條件、導線結構和表面電場等影響，因此目前國內外關于導線覆冰機理和模型的研究成果依然不很完善。引發導（地）線斷線和倒塔的覆冰多為雨凇覆冰，盡管國內外提出了幾種雨凇覆冰模型，但這些模型在預測同一氣象條件下的覆冰荷載時差別較大，需對模型進行修正方可應用。此外，沒有針對規范或標準按不同的氣象區給出相應的雨凇覆冰模型的確切公式。再者，對于導地線和桿塔的覆冰只給出了均勻覆冰情況的模型，沒有進一步給出非均勻覆冰模型。對于鐵塔的覆冰模型，目前只有角鋼塔的均勻覆冰模型，對于鋼管塔、組合結構塔及其它格構式桿塔的均勻和非均勻覆冰模型尚有待于進一步研究。

（2）覆冰斷線倒塔破壞機理的研究。以往關于輸電線路覆冰斷線倒塔破壞機理的研究只從靜力學角度出發，沒有考慮斷線沖擊荷載的影響，并缺少理論和模型實驗的驗證。研究輸電線路斷線沒有考慮導（地）線覆冰、輸電塔覆冰的影響，沒有充分考慮塔- 線耦合。導（地）線覆冰以后，彈性模量和剛度以及導（地）線的比載都發生了變化，覆冰斷線和無覆冰斷線的沖擊動力響應有很大的區別。輸電線路斷線倒塔不僅和斷線沖擊荷載有關，而且與輸電塔本身覆冰荷載有關。

2 輸電線路覆冰的嚴重影響

①線路負重過大。送電線路覆冰后，不但垂直荷載大，同時桿塔兩側電線的不均勻覆冰會產生一定的縱向張力差，使桿塔的受力情況比較嚴重且復雜，當出現罕見的暴雪冰載時將使桿塔產生破壞。

②輸電線路不均勻覆冰或不同時期脫冰、輸電線路舞動、線路絕緣子冰閃等。

2008年的冰災尤為突出，此次災害勢頭猛、時間長、范圍廣。由于大范圍凍雨滴水成冰，覆冰厚度嚴重超過我國現行的設計標準，導致大面積倒塔（桿）斷線。

3進一步研究的問題及解決的對策

3.1 輸電線路雨凇覆冰模型的研究

（1）通過大量的調研，了解我國主要冰災地區如華中、華東、華南、西南等地區近50a來冰災發生情況，主要包括覆冰形成機理、覆冰類型、輸電線路破壞情況，同時掌握各地氣象臺站近年來提供的有關氣象資料，為各典型氣象區雨凇覆冰模型預測的研究提供資料積累。

（2）深入揭示架空導線覆冰機理、準確描述覆冰過程的增長模型，應該反映出導線結構、環境因素和氣象條件對導線覆冰形式、冰形生長方式和結冰熱物理過程及流體力學的耦合影響和作用機制;并能在復雜的物理和邊界條件下對導線表面不同覆冰類型進行準確的模擬。

（3）針對高壓輸電線路的雨凇覆冰模型開展理論研究，針對典型氣象區，給出導線雨凇覆冰模型的適用表達式，在此基礎上提出常用類型的桿塔和導線非均勻覆冰的力學模型，為輸電線路抗冰災設計和力學性能分析提供基礎。

3.2 輸電線路覆冰斷線倒塔破壞機理的研究

（1）研究分析在重覆冰條件下輸電線路桿塔的破壞特點和規律。基于大范圍調研冰災引起的輸電線路桿塔破壞情況，針對各典型塔型，計算其在極端覆冰工況下的受力，找出桿塔設計的薄弱環節;研究重覆冰條件下檔距與耐張段長度的確定原則及制訂防止多基桿塔連環傾覆的措施;并通過模型試驗驗證，提出重冰區桿塔設計的合理化方案。

（2）從能量角度出發構建高壓輸電線路覆冰導線斷線的能量泛函，利用變分方法建立沖擊動力學方程，進而求得斷線的沖擊動力響應。

（3）進一步通過模型試驗得到導線覆冰斷線的沖擊荷載時間歷程以及沖擊荷載效應;最后，利用數值模擬技術，建立高壓輸電塔- 線體系的精細化三維有限元模型，充分考慮塔- 線覆冰以及二者之間的耦合效應，研究覆冰荷載引發導（地）線瞬時斷線、斷線跌落過程以及與地面碰撞摩擦過程，沖擊荷載對整個結構體系的作用，得到覆冰斷線的動力沖擊系數和沖擊響應，并與試驗結果進行比對，驗證數值模擬結果的正確性，對導（地）線斷線和輸電塔倒塔的全過程進行動態數值模擬。

4" 輸電線路抗覆冰具體技術分析

4.1 覆冰預警系統

輸電線路覆冰預警系統是省電力公司防災減災指揮系統的子系統，它是在采用導線張力測量、線路圖像實時監視和小型氣象站相結合的綜合監測的基礎上，率先引入氣象因子“鋒區位置”，構建了覆冰成災模型和危害程度模型，實現了輸電線路覆冰形成全過程的監測和預警，有效提高了線路覆冰情況預報的準確性。

針對不同等級的線路覆冰情況，系統將發出“紅、橙、黃、藍”不同等級的預警信號，分別代表著“嚴重、較嚴重、較輕和輕微”的覆冰影響程度，“嚴重”等級覆冰容易導致線路跳閘、故障或設備損壞，并由此引起供電中斷，造成停電損失。利用該系統，公司能提前監測線路覆冰情況，在“藍色”輕微等級覆冰時就能及時采取措施，監控覆冰增長，防止覆冰走向“嚴重”等級，保證線路的安全運行。

以往，省轄區內覆冰區線路都依靠護線員巡視，人工巡線時間長，耗費人力大，評斷較為主觀。福建輸電線路覆冰預警系統試運行后，利用攝相頭傳輸氣象數據，運用覆冰成災模型等對數據進行精確分析，提高了預報的客觀性和準確性。系統并已實現遠程監控，福建省九地市容易覆冰線路已設置監測點，各線路覆冰情況實時呈現在防災減災指揮系統的GIS（地理信息系統）上。這意味著，技術人員足不出戶就可以掌握線路覆冰情況。

4.2 提高新建電網設計標準

對于正在進行的施工和擬建項目，應該抓緊組織設計單位校核覆冰設計標準，對工程設計方案進行全面復核。

對于新建線路來講，需要嚴格按照國家電網公司的技術標準進行設計，采取優化線路路徑、優化桿塔布置、加強桿塔結構、選用覆冰過載能力強的導地線等方法，保證線路具有較高的抗覆冰能力。

例如，在500千伏天蘭線的冰災改造工程中，浙江省電力公司在全國首次采用了最新型的抗冰閃復合絕緣子材料，大大提高了絕緣子的抗冰閃能力。

4.3 加強現有線路改造

抗冰災時間緊、任務重，由于受搶建時間的限制，一些措施不能同步實施，重建線路的抗冰水平仍然較低。因此，必須落實優化補強理念，分析倒塔段的薄弱環節，通過局部增加加強型耐張塔、改造直線塔、更換導地線、更換金具等手段，消除短板，達到整體線路優化補強的目的，使運行線路的抗冰能力達到更高水平。

5 結語

全球變暖使得極端的天氣現象頻發，再加上電網的不斷擴建，使冰雪災害等惡劣天氣對輸電線路造成災難性的破壞，所以今后覆冰抗災形勢是非常嚴峻的，為此需要我們在今后要不續優化電網規劃，加快建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強國家電網。深入研究實施差異化、精益化的規劃設計和基建標準，加強自然災害規律和大電網運行機理研究，組織實施科技防災減災計劃，開展抗冰覆冰關鍵技術重大科技專項攻關，開展輸電線路融冰關鍵技術參數試驗研究，研制融冰裝置和配置方案，提高電網安全穩定運行水平和防災抗災能力。

參考文獻：

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[2]楊洪明、黃拉：《冰風暴災害下輸電線路故障概率預測》[J];《電網技術》，2012（04）

[3]徐文軍、戴宇：《風暴災害下電力斷線倒塔概率預測》[J];《華中電力》，2012（03）